🍤 🛀 💇🏼 大爆炸之前宇宙存在的证据 🈲 👒 👊🏻

基于宇宙膨胀观测的特征如何可以宣告本世纪的科学革命（2014年3月18日）

尽管有大爆炸理论，但它根本不是一门理论。这是爆炸后果的理论。
-艾伦·古斯

当您想象宇宙的开始时，您可能会想到充满物质和辐射的热密状态，该状态会迅速地膨胀和冷却（顺便说一下，仅此而已）。但是无法做的是推断回到任意高温和密集状态。您可能会认为，当宇宙的所有能量都被压缩到一个点时，您将回到时空，回到无限温度和密度的“奇点”，但这是不正确的。

宇宙的一大特征是当时仍然存在辐射。它在宇宙的时代经历了带电粒子的反射，宇宙的前青年是炽热且电离的（持续了38万年）。当宇宙变成电中性时（当物质首先形成中性原子时），来自大爆炸的辐射沿直线冲动，而不会被该中性物质中断。

随着宇宙的膨胀-由于辐射能量是由波长决定的-这些波长随着空间的膨胀而被拉伸，此后能量已经大大下降。但这为我们提供了很多帮助，因为它提供了观察的材料。

如果我们能够看到并测量这些波动，它们将为我们提供一个观察早期宇宙的窗口！因此，在1960年代，亚诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）从大爆炸中发现了这种残留的辉光-辐射在各个方向上均匀分布，仅比绝对零高几度-并且，科学家立即意识到了微波宇宙背景辐射，搜寻了这么久！

50年来，我们取得了令人难以置信的进步。我们不仅能够测量这种辐射的能谱，还能够测量其中固有的微小温度波动，以及它们的尺度，它们之间的关系以及它们与宇宙演化的关系。

尤其是，我们了解了宇宙在380,000年时的样子，它是由什么构成的，以及相互作用的物质如何影响其138亿年的辐射路径。

但是还有其他一些事情可以为我们提供有关这些事情的信息：我们不仅可以研究光的能量和温度，还可以研究光的偏振。让我解释一下。

实际上，光是电磁波。这意味着它由相互垂直的振荡电场和磁场组成，具有特殊的波长（由能量确定），并且以光速传播。

飞越从表面反射的带电粒子，与其他电磁现象，电场和磁场相互作用，与周围环境发生反应。

最初，接收到的光必须是非偏振的，但是大量的事情以各种方式导致其偏振。换句话说，通常具有随机取向的电场和磁场的光会经历相互作用，因此它们将具有首选的取向。现在，她将能够告诉我们很多有关光在其历史上与谁进行交互的信息。

背景微波辐射的极化效应是在最近十年中使用WMAP卫星首次发现的，未来普朗克天文台有望获得更好的结果（但要指出的是，这类研究很难实施）。由于光看起来像是“径向”的偏振被称为E偏振（对于电场），由于光被“扭曲”而引起的偏振被称为B偏振（对于磁场）。

观察到的大多数影响是由于数十亿光年的物质通过了光。我们称其为“前景”。从辐射时代开始，他必须朝各个方向努力，直到今天到达我们的眼睛。

但是，极化的一小部分应该从更早的时间到达我们。您会看到，在“大爆炸”之前-在一般情况下，宇宙可以描述为炽热，稠密且充满物质和辐射-宇宙只是按指数形式膨胀。那是一个宇宙通货膨胀的时期。在这个时候，宇宙被最空的空间固有的能量所支配-能量远大于今天的能量。

这时，宇宙本身已经扩散了宇宙本身固有的量子涨落，并提供了引起今天宇宙的初始密度涨落。

但是，只有在通货膨胀结束的区域以及空间中固有的能量转换为物质和辐射的区域，才会发生大爆炸。

在通货膨胀结束的这些区域中，我们的宇宙比其观察到的截面要大得多。这就是多元宇宙的概念，这就是为什么我们认为我们最有可能生活在其中的原因。

那么通货膨胀本身呢？我们能找到有关她的东西吗？

您可以确定量子涨落以及它们产生的密度涨落是我们所拥有的全部。直到最近，我都会告诉你的。但是从理论上讲，通货膨胀还会产生引力波，我们仍然无法检测到。 LISA是激光干涉仪的空间天线（这个项目最好在2030年代推迟），是我们对直接波检测的最大希望。

但是，即使没有LISA，也可以通过间接方法检测引力波。尽管重力波和光以相同的速度传播，但是光在穿过介质时会变慢。即使在星际和星际空间这样稀少的介质中，也会发生这种情况！而且由于引力波不会减慢-它们仅受时空的曲率影响-因此它们会超过光并自身导致极化！

通常，当光波从大爆炸中传播到我们的眼睛时，一定程度的时空变形会以某种方式拉伸光波。

具体而言，引力波的特征应表现为极化的B模式，并且应大规模地留下特定的图案。

尽管普朗克天文台应该看到并确认这一点，但它在南极团队BICEP2之前遥遥领先！

在1.5度的量级上，偏振的B模式非常明显，并且已经声明为开放的，尽管具有2.7σ的显着性（注意：在这些标度上，显着性是5.2σ，但是他们必须说服所有人，使这个检测水平没有出现多亏了前景分析和系统分析的结合）。 2.7σ表示此检测错误的可能性为2％，随着更多的数据消失。但是在科学界，这是一个相当高的可能性，因此，就目前而言，这一发现不应被视为既成事实。

如果开口通过测试，那将是非常严重的事件。这是我们需要衡量的，不仅是为了确定通货膨胀是否（很可能是），而且还要找出哪种通货膨胀模型描述了宇宙？

普朗克（Plank）去年发布了第一批结果，但什么也没发现。

可能会发生几种通货膨胀类型：特别是，如果这些图中的r的值变为零，则将有利于“小范围”模型，并且如果它的确很大，例如（0.2，则按根据这些结果），这将是“大视野”模型的证明。

这是确定的结果吗？不行我们需要更好的统计数据来宣布这一发现-我们不能接受这些结果并声明：“是的，这些是通货膨胀留下的初始引力波”，因为我们需要更好的证据。 2.7σ不错，但是在残酷的物理学世界中，我们需要5σ的确定结果。物理学史上的垃圾箱充满了“发现”，其中3σ随着新数据的到来而消失了。

我们知道通货膨胀是；宇宙结构的起源-它的当前外观，138亿年前的外观以及空白的任何地方-已经告诉了我们这一点。但是有一种可能性，并且第一个暗示也可能会存在引力波。如果事实证明我们确实看到了它们，那么在接下来的几年中我们将必须对此进行确认。但是，如果在收集数据时观察变得微不足道，则这并不意味着通货膨胀模型不正确-只是它不会产生最强的B模。

这还不是一个“发现”，而是暗示我们可能会偶然发现一些惊人的东西：关于我们宇宙如何诞生的第一个暗示。如果他是真的，那将是本世纪的发现。但是，如果新的数据反驳了（很可能会发生），这并不意味着通胀模型是错误的。这意味着通货膨胀产生的引力波要比最乐观的模型预测的要小。

但是，不管它是真实的还是不真实的，我们仍然学到更多有关整个宇宙如何出现的知识。

更新：在对原始文章的评论中，读者报告说，工作中提到了5σ以上的重要性。特别是，他们看着角标尺的某个部分，在那里他们实际看到的信号强度为5.2σ。

可以为此负责吗？这是唯一可以删除的部分-当然，如果我正确理解了这项工作，其重要性仅为2.7σ。

自己看看。

结果的重要性不高于最可能的不确定性来源，即使r可以等于零，排除这种可能性也很重要。在工作中，它可能已被驱逐，但在我看来，这似乎并没有清楚地完成。尽管如此，我对这一切将如何发展非常感兴趣！如果它们以与同步加速器发射相同的方式排除聚焦，则将满足5σ的限制，这已经意味着诺贝尔！

关于2014年3月18日撰写的文章的后续注释：

2014年3月17日，哈佛史密森天体物理学中心的科学家宣布在r = 0.2处发现了B模式。但是，另一组研究人员使用普朗克天文台的数据进行了后来的分析（2014年9月19日发布），结果表明BICEP2的结果可以完全归因于银河尘埃。

大爆炸之前宇宙存在的证据

基于宇宙膨胀观测的特征如何可以宣告本世纪的科学革命（2014年3月18日）

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